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Exponencial: tiempos y carencia de memoria

Apuntes, tema 3 · 3.2.2: exponencial, escala, carencia de memoria y relación con PoissonAbrir el PDF en la página 14

Objetivos de la lección

  • Convertir entre tasa y escala.
  • Interpretar supervivencia y carencia de memoria con sus hipótesis.

Apartado 1 de 3

Preguntar cuánto tardará el siguiente evento

Transcripción

Hola.

Supongamos una espera exponencial de media cinco minutos y preguntemos por seguir esperando después de diez.

El tiempo te es no negativo y no tiene máximo prefijado.

Alfa será la escala positiva, aquí cinco minutos: una espera media no es una cita a la que el evento deba llegar.

La misma distribución puede parametrizarse mediante tasa erre, la inversa de la escala.

Uno dividido entre cinco da dos décimas por minuto.

La inversión cambia tanto el número como la unidad: cinco minutos de escala no equivale a cinco eventos por minuto.

Ese de te, la supervivencia, pregunta por una espera mayor que te.

Su exponencial usa el tiempo dividido entre la escala: diez entre cinco da dos.

Este cociente sin unidades expresa cuántas escalas temporales han transcurrido y puede entrar en un exponente.

En la exponencial, seguir sin evento hasta ese tiempo tiene probabilidad exponencial de menos tiempo entre escala.

Sustituir el cociente dos da ese de diez igual a exponencial de menos dos.

El signo negativo hace que la supervivencia disminuya al prolongar la espera.

El resultado es aproximadamente cero coma ciento treinta y cinco: trece coma cinco por ciento de esperas superarían diez minutos.

La curva empieza en uno y baja hacia cero.

Cada altura representa una probabilidad de superar su tiempo, no una densidad ni el tiempo que falta a una persona concreta.

En un proceso Poisson homogéneo, esperar más de te equivale a observar cero eventos en ese intervalo.

Su masa en cero es la exponencial de menos tasa por tiempo: así aparece esta supervivencia.

La relación requiere tasa estable e incrementos independientes; una duración positiva no basta para justificarla.

Palabras y símbolos de esta lección​

α · Escala temporal

Se lee: alfa.

En las lecciones de tiempos, una escala positiva estira o encoge la duración. En la exponencial coincide con el tiempo medio; su inversa es la tasa.

Ejemplo: Escala 5 minutos: tasa exponencial 1/5 = 0,2 por minuto.

eˣ, exp(x) · Exponencial natural

Se lee: e elevado a x; exponencial de x.

Son dos escrituras de la misma función. La base e vale aproximadamente 2,71828. Una calculadora científica permite evaluarla.

Ejemplo: e⁰ = 1; exp(−1) es aproximadamente 0,3679.

S(t) · Supervivencia

Se lee: ese de te.

Es la probabilidad de que el tiempo del evento sea mayor que t. No requiere que el evento sea una muerte.

Ejemplo: S(10) = 0,2: el 20 % aún no presenta el evento a los diez minutos.

P(A | B) · Condición conocida

Se lee: probabilidad de a dado be.

La barra significa dado que. Nos limitamos al grupo B y preguntamos qué parte también cumple A. No significa división ni independencia.

Ejemplo: Entre 40 plantas tratadas se recuperan 10: P(recuperar | tratada) = 10/40.

E[X], μ · Esperanza o media del modelo

Se lee: esperanza de equis; mu.

Promedia los valores posibles dando más peso a los más probables. No obliga a que ese valor aparezca en una observación.

Ejemplo: Cero o cuatro células con igual probabilidad dan media dos.

Var(X), σ², σ · Varianza y desviación típica

Se lee: varianza de equis; sigma al cuadrado; sigma.

La varianza promedia distancias a la media elevadas al cuadrado. Su raíz, la desviación típica, expresa la dispersión en las unidades originales.

Ejemplo: Desviación 3 mm significa varianza 9 mm².

¿Cuánto esperamos hasta la próxima aparición?​

Una exponencial modela tiempos no negativos con un mecanismo de riesgo constante. Usamos alfa para la escala, que aquí es el tiempo medio. Si alfa vale cinco minutos, la tasa es su inversa: 1/5 = 0,2 por minuto. Una escala mayor alarga las esperas.

Supervivencia no significa necesariamente seguir vivo: es la probabilidad de que el tiempo del evento supere un umbral. Con escala cinco, esperar más de diez minutos tiene probabilidad exp(−10/5) = exp(−2), aproximadamente 0,1353.

Tiempo hasta un evento​

La exponencial describe un tiempo no negativo. El documento usa una escala positiva que coincide con el tiempo medio. La tasa es su inversa. Una escala mayor alarga los tiempos; una tasa mayor los acorta. Es esencial declarar la convención porque distintos programas reciben parámetros diferentes.

La función de supervivencia expresa la probabilidad de que el tiempo supere un umbral. La acumulada expresa la probabilidad de que el evento ya haya ocurrido. En un proceso de Poisson homogéneo, el tiempo hasta el siguiente evento es exponencial con tasa igual a la del proceso. Esta relación depende de incrementos independientes y tasa estable.

Fórmulas del apartado​

Se lee: Densidad: uno entre alfa por e elevado a menos te entre alfa. Supervivencia: la misma exponencial sin el factor inicial. La media es alfa y la varianza alfa al cuadrado.

f(t)=1αe−t/α,S(t)=e−t/α,t≥0,E[T]=α,Var⁡(T)=α2f(t)=\frac1\alpha e^{-t/\alpha},\quad S(t)=e^{-t/\alpha},\quad t\geq0,\quad E[T]=\alpha,\quad \operatorname{Var}(T)=\alpha^2

Alfa es escala temporal positiva y la tasa es uno dividido por alfa; la densidad es cero para tiempos negativos.

Espera ficticia de una señal​

Una espera tiene escala de cinco minutos y tasa 0,2 por minuto. La probabilidad de esperar más de diez minutos es la exponencial de menos dos, aproximadamente 0,1353. Si ya pasaron diez minutos sin señal, la probabilidad de esperar otros cinco es la exponencial de menos uno, aproximadamente 0,3679, bajo el mismo modelo.

Desarrollo escrito del ejemplo

T es el tiempo hasta la siguiente llegada a un detector en un proceso de Poisson homogéneo.

α · Escala temporal

Se lee: alfa.

En las lecciones de tiempos, una escala positiva estira o encoge la duración. En la exponencial coincide con el tiempo medio; su inversa es la tasa.

Ejemplo: Escala 5 minutos: tasa exponencial 1/5 = 0,2 por minuto.

r, λ · Tasa de una espera exponencial

Se lee: erre; lambda.

Una tasa mide eventos por unidad de tiempo; es la inversa de la escala temporal. Algunas fórmulas la llaman r y otras λ. No se debe confundir con la media de un recuento Poisson: al multiplicar la tasa por una duración obtenemos esa media.

Ejemplo: Tasa 0,2 por minuto: escala exponencial 1/0,2 = 5 minutos. En tres minutos la media Poisson es 0,6 eventos.

S(t) · Supervivencia

Se lee: ese de te.

Es la probabilidad de que el tiempo del evento sea mayor que t. No requiere que el evento sea una muerte.

Ejemplo: S(10) = 0,2: el 20 % aún no presenta el evento a los diez minutos.

eˣ, exp(x) · Exponencial natural

Se lee: e elevado a x; exponencial de x.

Son dos escrituras de la misma función. La base e vale aproximadamente 2,71828. Una calculadora científica permite evaluarla.

Ejemplo: e⁰ = 1; exp(−1) es aproximadamente 0,3679.

P(A | B) · Condición conocida

Se lee: probabilidad de a dado be.

La barra significa dado que. Nos limitamos al grupo B y preguntamos qué parte también cumple A. No significa división ni independencia.

Ejemplo: Entre 40 plantas tratadas se recuperan 10: P(recuperar | tratada) = 10/40.

Datos y supuestos​

  • Tasa λ = 0,25 por minuto; espera media = 4 minutos.
  • Tiempo ya transcurrido t = 4; espera adicional s = 3 minutos; soporte T ≥ 0.
  • Tasa constante e incrementos independientes.
  • λ es la tasa por minuto; su inversa es la escala o espera media en minutos.

Calcula P(T > t).​

Identificar la pregunta y justificar el método

Calcula P(T > t). La tasa es el inverso del tiempo medio. La supervivencia es la exponencial negativa de tasa por tiempo; la acumulada es su complemento. La carencia de memoria procede de un riesgo constante, no de una fecha fija para el evento. Para este apartado: La supervivencia es uno menos la CDF.

Formar un exponente sin unidades

Multiplicamos la tasa 0,25 por minuto por 4 minutos: obtenemos 1. Los minutos se cancelan. El exponente de la supervivencia es el negativo de ese producto.

Evaluar la exponencial

La tecla exp de una calculadora evalúa e elevado a un número. exp(−1) = 0,3678794. Es el área a la derecha del tiempo indicado, no la altura de la densidad.

P(T>t)=e−λtP(T>t)=e^{-\lambda t}

Comprobar e interpretar

El resultado es 0,3678794 probabilidad entre 0 y 1. Está entre cero y uno; si lo expresamos como porcentaje multiplicamos por cien, sin cambiar el suceso. Es la probabilidad de que no haya llegado ningún evento durante t minutos.

Es la probabilidad de que no haya llegado ningún evento durante t minutos.

Ejemplo resuelto

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